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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박재형
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 단국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
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LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템은 빛을 이용한 원거리 감지 기술로써 사물의 거리와 속도, 온도 등의 측정에 이용된다. LIDAR 시스템은 레이저를 이용해 빠른 속도로 원거리 측정이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 레이저를 스캔 하기 위해서 기계적인 움직임이 필요로 하므로 추가 장비를 부착해야 한다. 그러므로 시스템의 크기가 커지고 무거워지며 시스템의 가격이 비싸다는 단점이 있다. 이러한 기존 LIDAR 시스템의 단점을 보완하고자 LIDAR 시스템에 마이크로미러를 도입함으로써 빠른 속도로 레이저 스캔이 가능하고 2차원 스캔을 가능하게 하여 시스템의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 마이크로미러의 광학적 각도를 크게 하여 넓은 면적을 감지할 수 있고 웨이퍼 레벨로 공정이 가능하여 가격을 낮출 수 있는 마이크로미러를 제안하였다. 전자기력을 이용해 2축 구동하는 마이크로미러를 설계하여 2차원 스캔 할 수 있도록 하였고 마이크로미러의 반사 면을 크게 만들어 높은 출력의 레이저를 견딜 수 있도록 제작하였다.
마이크로미러 제작 전 시뮬레이션을 통해 마이크로미러의 외부 코일에 전달되는 토크가 최대가 되는 자석을 설계하여 자석의 변화에 따른 마이크로미러의 움직임을 비교하기 위해 내부 원형 자석의 크기가 2.6 mm와 4 mm, 4.8 mm의 3가지 모델의 자석을 제작하였다. 이 중 시뮬레이션 결과 마이크로미러의 외부 코일에 걸리는 토크가 최대가 되는 자석은 내부 원형 자석의 크기가 4 mm인 경우 가장 크게 나왔고, 4.8 mm, 2.6 mm 순으로 토크의 크기가 크게 나왔다.
수평축 비틀림 공진 주파수 시뮬레이션과 각 자석 모델에 대해 마이크로미러의 수직축 각도 시뮬레이션을 통해 기본적인 마이크로미러의 특성을 분석하여 실제 측정값과 비교하였다. 수평축 비틀림 공진 주파수 시뮬레이션 결과 3,099 Hz에서 비틀림 공진 주파수가 나왔고 수직축 각도 시뮬레이션 결과 내부 원형 자석의 크기가 4 mm인 경우가 가장 크게 나왔고, 4.8 mm, 2.6 mm 순으로 수직축의 각도가 크게 나온 것을 확인하였다.
실제 제작된 지름이 3 mm인 마이크로미러의 수평축 비틀림 공진 주파수 측정 결과 1,421 Hz에서 나온 것을 확인하였다. 수평축 비틀림 공진 주파수가 차이가 나는 이유는 공정 과정 중 KOH 식각 과정과 deep RIE 식각 과정 중 일어난 것으로 판단되고 있다. 제작된 마이크로미러의 각도는 수직축의 경우 내부 원형 자석의 크기가 2.6 mm에서 10.82°로 측정되었고, 4 mm에서 16.30°, 4.8 mm에서 13.12°가 측정되었다. 수평축의 경우 내부 원형 자석의 크기가 2.6 mm에서 18.47°로 측정되었고, 4 mm에서 19.72°, 4.8 mm에서 16.44°로 측정되었다. 마이크로미러의 응답 시간 측정 결과 184 msec가 측정되었다.
제안된 2축 구동을 이용해 빠른 속도로 2차원 스캔 할 수 있고 대면적 마이크로미러 반사 면을 이용해 높은 출력의 레이저에도 견딜 수 있는 마이크로미러를 제작함으로써 LIDAR 시스템에 응용 및 실용화를 할 수 있을 것으로 기대된다.
마이크로미러 제작 전 시뮬레이션을 통해 마이크로미러의 외부 코일에 전달되는 토크가 최대가 되는 자석을 설계하여 자석의 변화에 따른 마이크로미러의 움직임을 비교하기 위해 내부 원형 자석의 크기가 2.6 mm와 4 mm, 4.8 mm의 3가지 모델의 자석을 제작하였다. 이 중 시뮬레이션 결과 마이크로미러의 외부 코일에 걸리는 토크가 최대가 되는 자석은 내부 원형 자석의 크기가 4 mm인 경우 가장 크게 나왔고, 4.8 mm, 2.6 mm 순으로 토크의 크기가 크게 나왔다.
수평축 비틀림 공진 주파수 시뮬레이션과 각 자석 모델에 대해 마이크로미러의 수직축 각도 시뮬레이션을 통해 기본적인 마이크로미러의 특성을 분석하여 실제 측정값과 비교하였다. 수평축 비틀림 공진 주파수 시뮬레이션 결과 3,099 Hz에서 비틀림 공진 주파수가 나왔고 수직축 각도 시뮬레이션 결과 내부 원형 자석의 크기가 4 mm인 경우가 가장 크게 나왔고, 4.8 mm, 2.6 mm 순으로 수직축의 각도가 크게 나온 것을 확인하였다.
실제 제작된 지름이 3 mm인 마이크로미러의 수평축 비틀림 공진 주파수 측정 결과 1,421 Hz에서 나온 것을 확인하였다. 수평축 비틀림 공진 주파수가 차이가 나는 이유는 공정 과정 중 KOH 식각 과정과 deep RIE 식각 과정 중 일어난 것으로 판단되고 있다. 제작된 마이크로미러의 각도는 수직축의 경우 내부 원형 자석의 크기가 2.6 mm에서 10.82°로 측정되었고, 4 mm에서 16.30°, 4.8 mm에서 13.12°가 측정되었다. 수평축의 경우 내부 원형 자석의 크기가 2.6 mm에서 18.47°로 측정되었고, 4 mm에서 19.72°, 4.8 mm에서 16.44°로 측정되었다. 마이크로미러의 응답 시간 측정 결과 184 msec가 측정되었다.
제안된 2축 구동을 이용해 빠른 속도로 2차원 스캔 할 수 있고 대면적 마이크로미러 반사 면을 이용해 높은 출력의 레이저에도 견딜 수 있는 마이크로미러를 제작함으로써 LIDAR 시스템에 응용 및 실용화를 할 수 있을 것으로 기대된다.
목차
Ⅰ. 서 론 11. 연구배경 11.1 LIDAR 시스템 11.2 마이크로미러 72. 연구현황 및 문제점 143. 연구의 목적 16Ⅱ. 마이크로미러의 설계 171. 마이크로미러 구조 172. 마이크로미러의 구동 원리 193. 코일 구조의 설계 204. 자장 회로 설계 215. 마이크로미러의 설계 25Ⅲ. 마이크로미러의 제작 341. 마이크로미러의 제작 과정 342. 마이크로미러 하우징 제작 43Ⅳ. 마이크로미러의 특성 평가 451. 마이크로미러 공진 주파수 측정 451.1 마이크로미러 공진 주파수 측정 시스템의 구성 451.2 마이크로미러 공진 주파수 측정 결과 461.3 마이크로미러 구동 측정 결과 482. 마이크로미러 각도 측정 502.1 마이크로미러 각도 측정 시스템의 구성 502.2 마이크로미러 각도 측정 결과 513. 마이크로미러 응답 속도 측정 533.1 마이크로미러 응답 속도 측정 시스템의 구성 533.2 마이크로미러 응답 속도 측정 결과 54Ⅴ. 결 론 55참고문헌 56영문요약 58
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